SU1732298A1 - Способ определени добротности пьезокерамического элемента - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к радиотехнике , в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпо «- нентов пьезоэлектрических устройств. Цель изобретени  - упрощение и расширение области использовани  способа - достигаетс  за счет того, что измер ют частоты резонанса fj, и антирезонанса fq дл  такого колебани  пьезокерамического элемента, размах амплитудно-частотной характеристики которого между уровн ми резонанса и антирезонанса находитс  в пределах 1-8 дБ, а величину добротности наход т по формуле (fq-fh), 2 ил. §

Description

Изобретение относитс  к радиотехнике , в частности пьезотехнике, и может быть использовано при контроле свойств и изготовлении электроакустических радиодеталей и радиокомпонентов пьезоэлектрических устройств.

Цель изобретени  - упрощение и расширение области использовани  способа .

Способ заключаетс  в следующем.

Приведенна  комплексна  проводимость (Y) пьезокерамического элемента (ПКЭ) в окрестности резонансного колебани  в общем случае определ етс  соотношением:

Y UfCo

iA+B (..)f (1)

где СО 2Јf - кругова  частота-, С0 - электрическа  статическа 

емкость РКЭ;

у 2Q(f/f20-1) - обобщенна  частотна  растройка, О - добротность ПКЭ; f 20 резонансна  частота при , практически равна  резонансной частоте fr f20 реального ПКЭ (различие не бо- лее П);

А, В -частотонезависимые коэффициенты , определ емые пьезоак- тивностыо ПКЭ, типом и обертоном рассматриваемого колебани  .

I

В частном случае стержневого ПКЭ:

1

W

ND ND UP X)

Т(

fn)

в

де К

К.

-г К2 О,

(2)

31

-коэффициент электромеханической св зи (КЭМС) продольного колебани  стержн  ,

номер обертона основной гармоники (п 1), причем С

v.n

nff, n 1.

Исход  из (1) опрегелим резонансную и аитирезонансную частоты ПКЭ, соответствующие частотным экстремумам модуп  комплексной проводимости:

,

0

15

25

+ s + /)

ч

Как видно из (5) и (8), методическа  погрешность определени  О по величине относительного резонансного промежутка определ етс  однозначно только размахом АЧХ между уровн ми резонанса-антирезонанса и, что существенно , не зависит от функционального вида коэффициентов Л П в (1), т,е, от типа и природы колебани , Так нормативна  погрешность определени  О в 10% ($ 0,1) соответствует интенсивности колебани  в 8 дБ, Учитыва , что предельным минимальным надежно фиксируемым затуханием  вл етс  величина пор дка 1 дБ (прибор дл  исследовании Аиу )( установлен критерий интенсивности размаха AL|X в 1-8 дБ дл  определени  добротности ПКЭ с по- грешностью не хуже +10%, b эгом слу чае расчетна  формула дл  добротности ПКЭ имеем вид:

(3)

(4)

где о - методическа  погрешность определени  величины добоотности по величине относительного резонансного промежутка рассматриваемого резонансного колебани :

О Исход 

-Ц- (1 ),

fa-f

(5)

(l), (3) определим динамический размах АЧХ между уровн ми резонанса и антирезонанса. Введем дл  удобства промежуточный,параметр В/2А S, тогда S 1(1 +8 )2-Г. откуда v S + 1 и

i Af- ИС0/Г M

+s).

(6)

/ налогмчно дл  а н тире зона не ной

ЧаСТОГо При у„ S +-JS +1ПО

лучим:

a

У / cocj

Л(л|нЈ2 - S) ,

Тогда динамический размах копеба- ний составит:

1..

I СО С о/.Т- ---- (

ГХТ ч

WCo/Q

0

5

0

5

0

5

О --iЈ- .(9)

rd tr

Выше приведен анализ исходного выражени  (1) дл  приведенной проводимости ПКЭ в виде Y/63C0 , Вли нием на полученный результат различии значений множител  со а резонансной и антирезонансной частотах можно пое- небречь, так какоЭа/СО 1 + Q при выполнении выдвинутых условий проведени  измерений и перепад уровней емкостной составл ющей провопи мости составл ет менее 0,1 г,Б ( Х 1 дБ) при О 100, К тому же в практическом отношении может в чистом виде соответствовать величине У ПКЭ при активном характере нагрузки измерительной схемы или величине У/6ЭС0 при емкостном характере нагрузки, I

Физическа  природа резонансного колебани , удовлетвор ющего услови м предлагаемого технического решени , может быть различной: паразитное колебание в окрестности основной гармоники или ее обертонов из-за асимметрии ПКЭ - неоднородность микро- х структуры ПКЗ, рэзнотолщинность слек- трода и пластины ПКЭ, сколы и др, сложный спектр Р тэанкых колебаний из-за близости д у, чапотозадаюпмч рззмероа ПКЭ или Я ,- рмоничЈ1с ие колебани . Определение добротности пррдложенным способом может проводитьс  по параметрам основной гармоники на начальном этапе пол ризации ПКЭ, или по параметрам колебани  пленарного типа сдвигового ПКЭ за счет реально существующей компоненты вектора пол ризации , перпендикул рной поверхности электрода и т.д.

Однако даже в идеальном случае отсутстви  указанных факторов предложенное , техническое решение может быть реализовано на соответствующих обертонах.основной гармоники, наличие которых неизбежно дл  электромеханических систем с распределенными параметрами , какими и  вл етс  ПКЭ. Как следует из приведенного расчета при п : 3 (А 1-К2) .

НЬ) .

2 К2 Q 1

n f

(10)

-К2 r(1+S)2-rjf 4

Размах резонансного колебани  величиной не более 8 дБ соответствует значению оЈ 0,1, а при размахе не менее 1 дБ Ј s 0,001,. откуда следует что размах колебани  лежит в пределах 1-8 дБ дл  обертона с пор дковым номером п из интервала:

(0,9 - 2,5)

Причем дл  определени  пределов значений требуемого номера обертона п на величину КЭМС К может быть вз та , например, нормированна  величина КЭМС, соответствующа  возбуждаемому типу колебаний, используемого в ПКЭ пьезокерамического материала, а за величину Q - нормированна  величина механической добротности руц пьезокерамического материала ПКЭ.

На фиг.1 показана зависимость нормированного на добротность относительного резонансного промежутка (fg/fp-lbQ от интенсивности резонансного колебани  Т ПКЭ, определ емой по отношению (дБ) уровней резо- нанса-антирезонанса (фрагмент фиг.1). Методическа  погрешность определени  добротности Q ПКЭ по предлагаемому техническому решению не более 10% обеспечиваетс  при интенсивности

колебани  не более 8 дБ. I : I.

На фиг.2 приведены экспериментальные данные зависимости обратной вели и

е к

,

.

I.

чины относительного резонансного про- межутка (fa/fy,-1) от интенсивности Т резонансного колебани  обертона. Цифры на графике обозначают пор дковый номер возбуждаемого обертона (п 1, 3, 5...27), общий интервал частот от 80 кГц (п 1) до 1,3 МГц (п 27). Ю Сплошные линии соответствуют

экстрапол ции экспериментальных зна1- чений, пунктирна  лини  - среднее значение (fa/fr-1)1 no обертонам п 9-23, соответствующее величине f добротности Q ПКЭ (О 330+15). Из- мерени  проводились на дисковом ПКЭ 030 хО,3 мм из пьезокерамики ЦТБС-3 с параметрами планарного КЭМС Кр 0,48 и Q/v, 320 (добротность опре- 20 дел лась по известному методу на основной гармонике),

Дл  исследуемого ПКЭ расчет по (11) дает возбуждаемые целые нечетные значени  п из интервала 8,8-2,4, 25 т.е. п 9-23. Интенсивность этих обертонов лежит в требуемом интервале 1-8 дБ, значение добротности удовлетворительно совпадает с результатом измерени  по прототипу. При п 9 (Т 8 дБ) относительный резонансный промежуток уже определ етс  величиной КЭМС, а не добротностью, а при (Т.1 дБ) погрешность определени  добротности превышает допустимую норму из-за слабого уров- 35 н  размаха ДЧХ - на пределе чувствительности измерительного прибора

(Х1-49). i

Предложенный способ реализован

л следующим образом.

Измерение резонансной и антирезонансной частот проводитс  на приборе дл  исследовани  АЧХ Х1-А9 (с логарифмическим преобразователем). Калиб«с руетс  уровень затухани  в 9 дБ, например , соответствующий 1-й клетке на экране прибора, В режиме непрерывной .частотной развертки путем плавного изменени  номинальной час50 тоты развертки просматриваетс  АЧХ ПКЭ и проводитс  измерение частот Јf и fa колебани  с размахом 1-8 дБ.

Упрощение способа определени  доб ротности ПКЭ достигнуто за счет уменьшени  числа измер емых парамет-,

30

S5

ров и измерительных операции - измер ют , лишь частоты fa, fp и размах АЧХ. При этом область использовани  способа расширена также на такие

1

ГЖЭ, добротность которых по известному способу определ етс  с недопустимо большой погрешностью в силу, например, низкой пьезоактивности, отсутстви  моночастотности и т.п.

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   Способ определени  добротности- пьезокерамического элемента, заключающийс  в возбуждении пьезоэлемента гармоническим сигналом, регистрации сигнала реакции пьезоэлемента, измерении резонансной и антирезонансной

   Ри.г i

   32298 -8

   частот и расчете величины добротностиг отличающийс  тем, что,

   с целью упрощени  и расширени  области использовани  способа измер ют резонансную fj. и антирезонансную Јл частоты дл  колебани  с динамическим размахом амплитудно-частотной характеристики между уровн ми нанса и антирезонанса в пределах 1-8 дБ и величину добротности пьезоэлемента наход т по формуле

   fp

   Q

   fcTfr

   2S

   300

   HTBf-3

   @м 3,(e

   00

   tj 1

   - - 3 f S- А

   , 61 301-IS

   -ч

   Я

   3

   HJ-r4f- -Я- 3
2. 2.M 66 TfAg

   P««. 2